实战分析 漫谈内存显存带宽对性能的影响

自从P4推出之后，内存带宽这个词儿就越来越流行了，很多所谓的高手都经常用带宽来说明一些问题，这不仅令到不少初学者一头雾水，就算是很多老鸟们也只是一知半解，并没有真正研究过带宽对性能的影响究竟有多大！很多时候都是人云亦云，或者只是想当然的按照理论去计算，在这篇文章里，将会对内存(显存)带宽对系统性能的具体影响作深入的探讨，让大家对内存(显卡)带宽有更深一步的认识。

　　早在SDRAM时代，我们对于内存带宽就形成了初步概念。时至今日，内存带宽已经成为除CPU以外对整体性能影响最大的因素。无独有偶，显卡上显存的带宽也会对3D性能产生至关重要的影响，其本质与内存带宽是类似的。那么，内存带宽究竟能够造成多大的影响呢？还是让测试数据来说明一切！

　　内存带宽基础知识

　　何谓内存带宽

　　从功能上理解，我们可以将内存看作是内存控制器(一般位于北桥芯片中)与CPU之间的桥梁或与仓库。显然，内存的容量决定“仓库”的大小，而内存的带宽决定“桥梁”的宽窄，两者缺一不可，这也就是我们常常说道的“内存容量”与“内存速度”。

　　除了内存容量与内存速度，延时周期也是决定其性能的关键。当CPU需要内存中的数据时，它会发出一个由内存控制器所执行的要求，内存控制器接著将要求发送至内存，并在接收数据时向CPU报告整个周期(从CPU到内存控制器，内存再回到CPU)所需的时间。毫无疑问，缩短整个周期也是提高内存速度的关键，这就好比在桥梁上工作的警察，其指挥疏通能力也是决定通畅度的因素之一。

　　更快速的内存技术对整体性能表现有重大的贡献，但是提高内存带宽只是解决方案的一部分，数据在CPU以及内存间传送所花的时间通常比处理器执行功能所花的时间更长，为此缓冲区被广泛应用。其实，所谓的缓冲器就是CPU中的一级缓存与二级缓存，它们是内存这座“大桥梁”与CPU之间的“小桥梁”。事实上，一级缓存与二级缓存采用的是SRAM，我们也可以将其宽泛地理解为“内存带宽”，不过现在似乎更多地被解释为“前端总线”，所以我们也只是简单的提一下。事先预告一下，“前端总线”与“内存带宽”之间有着密切的联系，我们将会在后面的测试中有更加深刻的认识。

　　内存带宽的重要性

　　内存带宽为何会如此重要呢？在回答这一问题之前，我们先来简单看一看系统工作的过程。基本上当CPU接收到指令后，它会最先向CPU中的一级缓存(L1 Cache)去寻找相关的数据，虽然一级缓存是与CPU同频运行的，但是由于容量较小，所以不可能每次都命中。这时CPU会继续向下一级的二级缓存(L2 Cache)寻找，同样的道理，当所需要的数据在二级缓存中也没有的话，会继续转向L3 Cache(如果有的话，如K6-2＋和K6-3)、内存和硬盘。由于目前系统处理的数据量都是相当巨大的，因此几乎每一步操作都得经过内存，这也是整个系统中工作最为频繁的部件。如此一来，内存的性能就在一定程度上决定了这个系统的表现，这点在多媒体设计软件和3D游戏中表现得更为明显。

系统内存工作原理示意图

　　3D显卡的内存带宽(或许称为显存带宽更为合适)的重要性也是不言而喻的，甚至其作用比系统的内存带宽更为明显。大家知道，显示卡在进行像素渲染时，都需要从显存的不同缓冲区中读写数据。这些缓冲区中有的放置描述像素ARGB(阿尔法通道，红，绿，蓝)元素的颜色数据，有的放置像素Z值(用来描述像素的深度或者说可见性的数据)。

　　显然，一旦产生Z轴数据，显存的负担会立即陡然提升，在加上各种材质贴图、深度复杂性渲染、3D特效，其工作量可想而知。在更多情况下，显存带宽的重要性超越了显存容量，这点我们将在后文的测试中有详细说明。

　　如何提高内存带宽

　　内存带宽的计算方法并不复杂，大家可以遵循如下的计算公式：带宽＝总线宽度×总线频率×一个时钟周期内交换的数据包个数。

　　很明显，在这些乘数因子中，每个都会对最终的内存带宽产生极大的影响。然而，如今在频率上已经没有太大文章可作，毕竟这受到制作工艺的限制，不可能在短时间内成倍提高。而总线宽度和数据包个数就大不相同了，简单的改变会令内存带宽突飞猛进。DDR技术就使我们感受到提高数据包个数的好处，它令内存带宽疯狂地提升一倍。

　　当然，提高数据包个数的方法不仅仅局限于在内存上做文章，通过多个内存控制器并行工作同样可以起到效果，这也就是如今热门的双通道DDR芯片组(如nForce2、I875/865等)。事实上，双通道DDR内存控制器并不能算是新发明，因为早在RAMBUS时代，RDRAM就已经使用了类似技术，只不过当时RDRAM的总线宽度只有16Bit，无法与DDR的64Bit相提并论。内存技术发展到如今这一阶段，四通道内存控制器的出现也只是时间问题，VIA的QBM技术以及SiS支持四通道RDRAM的芯片组，这些都是未来的发展方向。

内存未来的发展方向

　　至于显卡方面，我们对其显存带宽更加敏感，这甚至也是很多厂商用来区分高低端产品的重要方面。同样是使用DDR显存的产品，128Bit宽度的产品会表现出远远胜过64Bit宽度的产品。当然提高显存频率也是一种解决方案，不过其效果并不明显，而且会大幅度提高成本。值得注意的是，目前部分高端显卡甚至动用了DDRII技术，不过至少在目前看来，这项技术还为时过早。

　　如何识别产品的内存带宽

　　对于内存而言，辨别内存带宽是一件相当简单的事情，因为SDRAM、DDR、RDRAM这三种内存在外观上有着很大的差别，大家通过下面这副图就能清楚地认识到。唯一需要我们去辨认的便是不同频率的DDR内存。目前主流DDR内存分为DDR266、DDR333以及DDR400，其中后三位数字代表工作频率。通过内存条上的标识，自然可以很方便地识别出其规格。

通过内存条上的标识，自然可以很方便地识别出其规格

　　相对而言，显卡上显存带宽的识别就要困难一些。在这里，我们应该抓住“显存位宽”和“显存频率”两个重要的技术指标。显存位宽的计算方法是：单块显存颗粒位宽×显存颗粒总数，而显存频率则是由"1000/显存颗粒纳秒数"来决定。一般来说，我们可以从显存颗粒上一串编号的最后2两位看出其纳秒数，从中也就得知其显存频率。至于单块显存颗粒位宽，我们只能在网上查询。

　　HY、三星、EtronTech(钰创)等都提供专用的显存编号查询网站，相当方便。此外，使用RivaTuner也可以检测显卡上显存的总位宽，大家打开RivaTuner在MAIN菜单即可看到。

　　二、 内存带宽测试分析

　　在了解一些相关的重要知识之后，我们将通过详细的测试向大家展示内存带宽的奥秘。对于不同的CPU平台，内存带宽的重要性不尽相同，而在与内存延时的搭配上，内存带宽也有很多学问。好了，还是请大家看具体的测评。

　　AMD-nForce2平台的内存带宽分析

　　正是nForce2芯片组的出现才让AthlonXP平台向更高的前端总线发展，而经过一段时间的超频体验，不少用户都会前端总线与内存带宽之间的关联有了一定的认识。一般而言，我们的常理告诉我们内存频率越高越好，因为它直接决定了内存带宽。然而在nForce2芯片组中则并不是这样一回事。由于内存控制器的特殊性，它要求DDR内存与CPU同步运行时才能达到最佳性能。下面是nForce2芯片组在内存同步/异步条件下的测试成绩：

　　简单说来，即CPU设定为166MHz外频(333MHz前端总线)、DDR运行于DDR333模式时，其性能要比CPU设定为166MHz外频、DDR运行于DDR400模式的方案更好。所以，无论在何种情况下，我们都建议nForce2用户将"Memory Frequency"设定为"Sync(同步)"。事实上，同样的情况也出现在ALi MAGiK1和SiS745这两款芯片组上，DDR333在不同步时性能反而不如DDR266同步，好在它们的市场份额并不大。

　　此外，当我们使用不集成显卡的SPP北桥时，单通道与双通道之间的性能差距微乎其微，甚至都可以将微小的差距理解为测试误差。而在使用集成显卡的IGP北桥中，双通道确实展现出很大的优势。毫无疑问，对于nForce2而言，双通道尽管能够提升内存带宽，但是AthlonXP的前端总线利用不上，单通道DDR已经完全能够满足其需求。之所以nForce2能再KT400面前横行霸道，其关键还在于内存控制器的效率，而非双通道技术。

　　AMD-KT400A平台

　　VIA的KT400A也是一款主流SocketA芯片组，那么它究竟是否会出现高内存频率异步时性能不佳的情况呢？请大家先不要忙着下结论，更应该抛弃以往对KT333/400的陈见，因为KT400A的内存控制器经过了VIA的重新设计。

　　显然，KT400A已经能够利用里DDR400的高带宽，即便是在内存异步的情况下。现在，大家应该很明白在SocketA平台下的内存优化了吧，确实很简单：nForce2要保持同步，而KT400A/600应该尽可能提高内存频率。

　　Intel-I845PE平台

　　尽管单通道的I845PE芯片组已经略显落伍，但是我们能够从中分析出单通道情况下，内存带宽的重要性。事实上，P4处理器很早就达到533MHz前端总线(133MHz外频)，此时只有使用DDR333才算是同步运行。

　　很明显，DDR333的高内存带宽在此表现出明显的性能优势，无论对3D游戏还是商业应用软件都大有裨益。事实上，单通道DDR对于Pentium4的Netburst架构而言仅仅是杯水车薪，即便是DDR333也无法满足Pentium4的需求，因为533MHz前端总线的Pentium4必须拥有4.2GB/s的内存带宽才能充分别发挥性能，而单通道的DDR333只具备2.7GB/s，更不用说DDR266了。

　　Intel-I865PE

　　I865PE芯片组是如今毫无疑问的当红小生，凭借双通道DDR技术。它完全解决了内存带宽的瓶颈，引爆P4处理器的最大动力。在这里，我们将对比单通道DDR400、双通道DDR400以及双通道DDR333之间的性能。当然，此时的P4处理器运行于800MHz前端总线。

　　双通道DDR确实是P4处理器的最佳拍档，在这种环境下，系统的整体性能得到最佳发挥。如果对比一下各种前端总线的P4处理器所需要的带宽以及各种内存模式能够提供的带宽，我们也就不难理解出现这一现象的原因了。

　　由于双通道DDR400的带宽是6.4GB/s，正好满足800MHz前端总线的P4处理器，因此表现出最佳的组合。

　　Intel-SiS655

　　Intel芯片组一直对于内存异步相当保守，甚至一直不允许内存频率高于CPU的外频。不过SiS可并不这样认为，其高端的SiS655芯片组同样支持双通道DDR400，而且能够以更加灵活的方式进行异步，这意味着即便我们的P4处理器运行于533MHz前端总线，也可以在SiS655芯片组上使用DDR400。那么这种异步模式是否有价值呢？测试中，我们选择了533MHz前端总线的P4处理器，分别配合单通道DDR400、单通道DDR333以及双通道DDR333。

　　测试结果相当耐人寻味，因为在内存频率高于CPU的外频的异步模式下，性能依旧取得了提升，我们不得不对SiS刮目相看。不过，单通道的DDR400毕竟还是不敌双通道DDR333，毕竟单通道的DDR400只能提供3.2GB/s的内存带宽，仍然小于期望中的4.2GB/s。相反，双通道DDR333却发挥了很大的优势。

　　在测试中，我们还发现SiS655在配合800MHz前端总线的P4处理器时居然无法在使用双通道DDR400下发挥出最佳性能，此时测试成绩还不如搭配双通道DDR333，看来SiS655还有待完善，我们更加期待SiS655FX。

　　内存带宽与延时的矛盾

　　熟悉内存优化的朋友一定知道内存延时(CL值)的重要性，然而如今大多数DDR内存都难以运行在CL＝2的模式下，特别在提高其工作频率的情况下。很多DDR266内存能够在266MHz下稳定运行于CL＝2，也可以在333MHz下稳定运行于CL＝2.5，同样的情况也出现在DDR333内存中。这就带给我们这样一个矛盾，究竟应该提高内存频率还是缩短内存延时？

　　为此，我们分别选择了AMD和Intel的平台进行测试。为了凸现出内存带宽的重要性，我们特意将CL＝2时的内存频率低于CPU外频，这样的数据更有评判价值。测试平台如下：

　　从测试结果来看，AthlonXP平台显然对于内存延时更加敏感。对于前端总线并不高的AthlonXP平台而言，我们认为DDR333+CL2的性能肯定在DDR400+CL2.5之上，因此建议大家在可能的情况下优化CL延时。至于I865PE平台，毕竟Pentium4还是对内存带宽相当饥渴，此时自然应该尽可能地保证内存频率，而牺牲内存延时。

　　三、 显存带宽测试分析

　　很多用户都有这样的感受，显存带宽对于显卡的3D性能而言实在太重要，而且各种显卡所搭配的显存在位宽、频率以及显存种类方面有着很大的区别。通过下面这些测试，我恩将对显存带宽有更为深刻的认识。

　　不同显存频率之间的性能区别

　　在购买显卡时，我们对显存频率往往格外关注，因为较高的显存带宽往往能够各种3D游戏中展现出更加出色的性能，特别是在如今大型3D游戏日益流行的时代。为此，我们采用同一款显卡在GPU核心频率不变的情况下进行显存超频测试，看看显存频率究竟带来多大的影响。测试中分别采用Radeon 9000Pro和Geforce4 Ti4200，测试软件为普及的QuakeIII，运行于1600×12000×32bit。

　　从测试结果来看，Ti4200对于显存频率似乎更加敏感，这也并不出乎我们的意料。一般而言，同系列中降频产品往往会在超频后大幅度提升性能，因为厂商在设计GPU时就针对最高版本所需要的内存带宽，一旦我们将内存带宽提升，那么此时所引发的性能提升将是最大的。而Radeon9000Pro本身已经算是9000系列中的高频率产品，因此GPU对于显存的利用率基本上区域饱和，再次提升显存带宽自然也没能表现出足够的提升幅度。

　　当然，我们也不能忘记GPU对显存带宽的需求性。从目前显卡技术的发展趋势来看，象素填充率与显存带宽是毫无疑问的两大热点，越是高端的显卡越需要更高的显存带宽。因此，我们建议准备选购Geforce Ti4200以及Radeon 9500以上档次显卡的用户更加关注显存频率。

　　64Bit与128Bit的性能差别

　　从显存带宽的计算公式我们也可以得知，显存位宽对于显存带宽的影响力是何等重大。在中低端产品中，不少厂商为了降低价格，提高市场竞争力而推出64Bit位宽显存的产品，其性价比究竟如何？与128Bit显存有多大差距呢？

　　从GeforceFX5200的情况来看，64Bit与128Bit显存之间的差距的确很大。就个人角度而言，我认为没有必要为了节约区区100多元而选择廉价版的64Bit显存产品，毕竟此时所损失的性能太大，性价比实在不高。此外要提醒大家的，在实际运行频率相同的情况下，一般128Bit的SDRAM显存要好于64Bit的DDR显存，尽管两者的理论显存带宽完全一样。对于准备选购Geforce4MX 440SE以及Geforce2MX的用户而言，这点应该注意，不要被DDR的光环所迷惑。

　　显存频率与显存容量孰轻孰重

　　就目前应用和游戏而言，显存带宽比显存容量重要得多，显存带宽高的显卡往往性能高于容量虽大，但显存带宽不足的显卡。为此，我们采用两款Geforce4 MX440显卡进行验证，一款显存容量为64MB，运行于450MHz DDR，另一款显存容量为128MB，运行于400MHz DDR，两者的GPU核心频率一样。

　　测试结果也证明了我们的推论，对于如今的主流显卡，64MB显存确实已经绰绰有余，更为重要的是显存带宽。当然，一旦NV40以及R400之类的恐怖级产品普及，这一推论可不一定适用。

　　超前讨论：DDR Vs DDR2

　　DDR2显存的呼声日渐高涨，渴望时刻保持领先的nVIDIA在GeforceFX5800 Ultra中选择了这种尚未普及的内存规格。然而遗憾的是，这也成为NV30的一大败笔。DDR2不仅因为成本问题难以普及，其自身的技术也并不成熟。

　　在GeforceFX5800 Ultra中，8枚DDR2显存芯片需要消耗28W功耗，而且造成了巨大的发热量。撇开为了散热而带来的成本问题不谈，即便是恼人的噪音问题都已经让nVIDIA尴尬不已，这也注定NV35不会取得类似于其前辈们的成功。当我们见到带有水冷散热(或者夸张的散热器)以及外置电源的GeforceFX5800 Ultra显卡时，或许更多的感觉不是赞叹，而是一种莫名的悲哀。

　　如果说DDR2显存为NV30带来出色的性能也就罢了，然而位宽仅仅128Bit的DDR2显存很大程度上成为性能发挥的瓶颈。在使用频率为1GHz的DDR2显存时，16GB/s的带宽却是令人难以完全满意，与ATI Radoen 9800Pro的21.25GB/s相比落下很多。为此，并不顽固的nVIDIA还是接受了现实，在GeforceFX 5900Ultra中改用256Bit的DDR1。事实上，在频率相同的情况下，256Bit DDR1应该比128Bit DDR2更为出色，这与128Bit SDRAM好于64Bit DDR是相同的道理。采用850MHz的256Bit DDR1之后，NV35的显存带宽达到了27.2GB/s，基本能够保证各种3D特效的消耗。

　　客观而言，目前的DDR2显存技术还没有完成成熟，至少其高昂的成本使之在现实产品中难以应用。只有当DDR2显存能够运行与高频率的，而且达到256Bit位宽，这时才是DDR2占领显存市场的时机。

　　写在最后

　　内存带宽的话题就讨论到这里，相信大家也对如何选购、优化产品有了足够的认识。应当指出的是，内存带宽技术也在不停地发展，或许未来的DDR2以及DDR3才是最终的发展方向。

（出处：清风下载学院）